JP2010229431A - Ion-permeable diaphragm and method for producing the same - Google Patents
Ion-permeable diaphragm and method for producing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010229431A JP2010229431A JP2009074955A JP2009074955A JP2010229431A JP 2010229431 A JP2010229431 A JP 2010229431A JP 2009074955 A JP2009074955 A JP 2009074955A JP 2009074955 A JP2009074955 A JP 2009074955A JP 2010229431 A JP2010229431 A JP 2010229431A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ion
- hydrophilic inorganic
- inorganic material
- membrane
- organic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
本発明は、アルカリ水電解装置に使用するためのイオン透過性隔膜に関し、特にイオン透過性隔膜を電極間に挟持した構造を有するアルカリ水電解装置に使用するためのイオン透過性隔膜及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an ion permeable diaphragm for use in an alkaline water electrolysis apparatus, and more particularly to an ion permeable diaphragm for use in an alkaline water electrolysis apparatus having a structure in which an ion permeable diaphragm is sandwiched between electrodes and a method for manufacturing the same. About.
水素は、最近のエネルギー事情を反映し、石油に代わる新しいエネルギー源として多方面から注目されている。このような水素の工業的製造方法としては、コークスや石油のガス化法、水電解法等が挙げられる。 Reflecting the recent energy situation, hydrogen is attracting attention from various fields as a new energy source to replace oil. Examples of such industrial production methods of hydrogen include coke and petroleum gasification methods, water electrolysis methods, and the like.
前者の方法は、操作が煩雑であるとともに、非常に大規模な設備が必要となるので、イニシャルコストがかなりかかるという問題点がある。 The former method has a problem that the operation is complicated and a very large-scale facility is required, so that the initial cost is considerably increased.
一方、後者の方法は、原料として入手し易い水を用いるものであり、電解槽内に複数の電極対を設け、これら対となる電極の間にKOH等のアルカリ電解液を流通させるとともにイオン透過性隔膜で区画して、このイオン透過性隔膜の陰極側で水素を発生するとともに陽極側で酸素を発生させるものであるが、電極間にイオン透過性隔膜と被電解液とが存在しているので、電気抵抗が大きく、電解効率が悪いという問題がある。しかしながら、この水電解法は、比較的小規模な設備でも水素の発生が可能であり、実用的であることから、電解効率の向上が望まれている。 On the other hand, the latter method uses readily available water as a raw material, and a plurality of electrode pairs are provided in an electrolytic cell, and an alkaline electrolyte such as KOH is circulated between these electrodes and ion permeation is performed. The membrane is divided by a permeable membrane to generate hydrogen on the cathode side and oxygen on the anode side of the ion permeable membrane, but there is an ion permeable membrane and an electrolyte solution between the electrodes. Therefore, there are problems that electric resistance is large and electrolysis efficiency is poor. However, since this water electrolysis method can generate hydrogen even in a relatively small facility and is practical, improvement in electrolysis efficiency is desired.
ところで、このようなアルカリ水電解装置に代表される電気化学的電解槽に使用する隔膜には、以下の性能が要求される。
(1)膜を通じてイオンのみを通し、ガスの通過や拡散がないこと
(2)電解液中で物理的、化学的に耐久性があること
(3)電気抵抗が低いこと
By the way, the following performance is required for a diaphragm used in an electrochemical electrolytic cell represented by such an alkaline water electrolysis apparatus.
(1) Pass only ions through the membrane and do not allow gas to pass or diffuse (2) Be physically and chemically durable in the electrolyte (3) Low electrical resistance
このような性能を有する電解用隔膜として、実用的には石綿布が広く使われている。しかし、電解液は場合によっては100℃以上になるにもかかわらず、石綿布は、100℃以上の温度では腐食を受け使用できなくなる上に、近年では、石綿による健康被害も多く報告されており、その使用には大きな問題がある。 As a diaphragm for electrolysis having such performance, asbestos cloth is widely used practically. However, despite the fact that the electrolyte solution sometimes exceeds 100 ° C, asbestos cloth cannot be used due to corrosion at temperatures of 100 ° C or higher, and in recent years there have been many reports of health damage caused by asbestos. There is a big problem with its use.
そこで、上記(1)及び(2)の性能を満たすとともに、(3)電気抵抗が一層低いイオン透過性隔膜として、高分子多孔膜又はイオン交換膜、NiO等の金属酸化物膜を用いたもの(特許文献1参照)及び無機物質と有機高分子との複合材料等を隔膜材料としたイオン透過性隔膜(特許文献2参照)等が提案されている。 Therefore, while satisfying the above performances (1) and (2), and (3) a polymer porous membrane, an ion exchange membrane, or a metal oxide membrane such as NiO as an ion permeable membrane having a lower electrical resistance. (See Patent Document 1) and ion-permeable diaphragms (see Patent Document 2) using a composite material of an inorganic substance and an organic polymer as a diaphragm material have been proposed.
しかしながら、上記各膜材料からなるイオン透過性隔膜のうち、高分子多孔膜は、柔軟であり、機械的損傷に対して抵抗性が強いという利点を有するが、ここで使用される高分子材料は疎水性であるため、多孔性であったとしても電解質の溶媒和したイオンの移動が容易でなく、電気抵抗が大きくなり、電解槽の性能が激しく低下するという問題点がある。また、高分子多孔膜やイオン交換膜では、気体を発生するアルカリ水電解装置においては、気体の泡が膜の表面に付着し電気抵抗が増大するという問題があり、特に気泡が集中して部分的に電気抵抗が大きく増大した場合には、いわゆるホット・スポットと呼ばれる高温部が生じ、隔膜の劣化が起こるという問題点もある。 However, among the ion permeable membranes made of each of the above membrane materials, the polymer porous membrane has the advantage that it is flexible and highly resistant to mechanical damage, but the polymer material used here is Since it is hydrophobic, there is a problem that even if it is porous, movement of ions solvated in the electrolyte is not easy, electric resistance increases, and the performance of the electrolytic cell is severely degraded. In addition, in a polymer porous membrane or an ion exchange membrane, in an alkaline water electrolysis device that generates gas, there is a problem that gas bubbles adhere to the surface of the membrane and electrical resistance increases, and in particular, bubbles are concentrated. In particular, when the electrical resistance greatly increases, there is a problem that a high temperature portion called a so-called hot spot is generated and the diaphragm is deteriorated.
また、上記特許文献1に記載されているようなNiO等の金属酸化物膜は、焼結により製造されるが、ガスの拡散や透過のない緻密な焼結隔膜は、そのサイズに限界があるため、大型の電解槽への適用には向いていないという問題点がある。
Further, a metal oxide film such as NiO described in
そして、特許文献2に記載されている無機物質と有機高分子との複合材料を隔膜としたイオン透過性隔膜は、無機湿潤性材料として酸化ジルコニウムやポリアンチモン酸を用い、フルオロカーボン重合体やポリスルホン等をバインダーとして製膜することで微細孔を形成したものである。この複合材料を用いたイオン透過性隔膜は、優れた平滑性及び非常に良好なイオン伝導率を示し、アルカリ水電解装置の隔膜としては好適なものである。 And the ion-permeable membrane which used the composite material of the inorganic substance and organic polymer described in patent document 2 as a membrane uses zirconium oxide, polyantimonic acid as an inorganic wettable material, fluorocarbon polymer, polysulfone, etc. Are formed as a binder to form fine pores. An ion-permeable diaphragm using this composite material exhibits excellent smoothness and very good ion conductivity, and is suitable as a diaphragm for an alkaline water electrolysis apparatus.
しかしながら、特許文献2に記載されているイオン透過性隔膜に用いられる無機湿潤性材料は、湿潤性を有するものの、当該イオン透過性隔膜を隔てて差圧が増加した場合にガスを分離するのが困難となるという問題がある。 However, although the inorganic wettable material used for the ion permeable diaphragm described in Patent Document 2 has wettability, the gas is separated when the differential pressure increases across the ion permeable diaphragm. There is a problem that it becomes difficult.
本発明は、上記従来の課題を解決し、電気抵抗が低く、かつ隔膜を隔てて生成されたガス(水素、酸素等)の分離性能を向上させることのできる、アルカリ水電解装置に使用するためのイオン透過性隔膜及び当該イオン透過性隔膜の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and is used in an alkaline water electrolysis apparatus that has low electrical resistance and can improve the separation performance of gas (hydrogen, oxygen, etc.) generated across a diaphragm. It is an object of the present invention to provide an ion-permeable diaphragm and a method for producing the ion-permeable diaphragm.
上記課題を解決するために、本発明は、アルカリ水電解に用いられるイオン透過性隔膜であって、親水性無機材料としてのリン酸カルシウム化合物又はフッ化カルシウムを含有する膜材料を備え、前記親水性無機材料の平均粒径が、0.7μm以下であることを特徴とするイオン透過性隔膜を提供する(請求項1)。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is an ion-permeable diaphragm used for alkaline water electrolysis, comprising a membrane material containing a calcium phosphate compound or calcium fluoride as a hydrophilic inorganic material, and the hydrophilic inorganic Provided is an ion-permeable diaphragm characterized in that the average particle size of the material is 0.7 μm or less.
上記発明(請求項1)によれば、親水性無機材料の平均粒径が0.7μm以下であることで、緻密な細孔構造が形成されるため、ガスの分離性能を向上させることができ、これにより、イオン透過性隔膜の陰極側で発生する水素に陽極側で発生する酸素等が混入することがなく、水素の純度を高く維持することができる。また、アルカリ水電解におけるイオンが、親水性の高められたイオン透過性隔膜を速やかに通過できるため、膜自体の電気抵抗を低下させることができ、これによりアルカリ水電解装置に用いた場合に消費電力の低減、電界効率の向上を図ることができる。 According to the above invention (Invention 1), the average particle size of the hydrophilic inorganic material is 0.7 μm or less, so that a dense pore structure is formed, so that the gas separation performance can be improved. As a result, oxygen generated on the anode side is not mixed with hydrogen generated on the cathode side of the ion-permeable diaphragm, and the purity of hydrogen can be maintained high. In addition, since ions in alkaline water electrolysis can quickly pass through ion-permeable membranes with increased hydrophilicity, the electrical resistance of the membrane itself can be reduced, thereby consuming when used in alkaline water electrolysis devices. Electric power can be reduced and electric field efficiency can be improved.
上記発明(請求項1)においては、前記親水性無機材料としてのリン酸カルシウム化合物が、フルオロアパタイト(FAP)又はヒドロキシアパタイト(HAP)であるのが好ましい(請求項2)。また、上記発明(請求項1〜2)においては、前記膜材料が、前記親水性無機材料と、ポリサルフォン、ポリプロピレン及びフッ化ポリビニリデンからなる群より選択される少なくとも1種の有機結合材料との混合物に有機繊維布を内在させたものであるのが好ましい(請求項3)。さらに、上記発明(請求項3)においては、前記有機繊維布が、ポリプロピレンのメッシュであることが好ましい(請求項4)。 In the said invention (invention 1), it is preferable that the calcium phosphate compound as the hydrophilic inorganic material is fluoroapatite (FAP) or hydroxyapatite (HAP) (invention 2). Moreover, in the said invention (invention 1-2), the said membrane material is the said hydrophilic inorganic material, and at least 1 sort (s) of organic binding material selected from the group which consists of a polysulfone, a polypropylene, and polyvinylidene fluoride. It is preferable that an organic fiber cloth is contained in the mixture (claim 3). Furthermore, in the said invention (invention 3), it is preferable that the said organic fiber cloth is a mesh of polypropylene (invention 4).
上記発明(請求項2〜4)によれば、膜材料自体が、非常に良好な親水性を有し、優れたイオン伝導性を有するために、アルカリ水電解装置の隔膜として好適なものとすることができる。 According to the above inventions (Inventions 2 to 4), the membrane material itself has very good hydrophilicity and excellent ionic conductivity, so that it is suitable as a diaphragm for an alkaline water electrolysis apparatus. be able to.
上記発明(請求項1〜4)においては、前記膜材料の厚みが、100μm以上であるのが好ましい(請求項5)。膜材料の厚みを増すことで、所望とする膜強度を確保することができる一方、膜の電気抵抗が上昇してしまうおそれがあるが、かかる発明(請求項5)によれば、膜材料が良好な親水性を有し、優れたイオン伝導性を有するため、膜材料の厚みをある程度の厚さにしても膜の電気抵抗が上昇することがなく、所望とする膜強度を確保することができる。 In the said invention (invention 1-4), it is preferable that the thickness of the said film | membrane material is 100 micrometers or more (invention 5). By increasing the thickness of the film material, the desired film strength can be secured, while the electric resistance of the film may increase. According to this invention (claim 5), Since it has good hydrophilicity and excellent ionic conductivity, the electrical resistance of the film does not increase even if the thickness of the film material is increased to a certain level, and the desired film strength can be secured. it can.
また、本発明は、上記発明(請求項1〜5)に係るイオン透過性隔膜を製造する方法であって、平均粒径を0.7μm以下に調整した前記親水性無機材料と有機結合材料とを含む懸濁液から製造された湿潤シートに、有機繊維布を浸漬させることを特徴とするイオン透過性隔膜の製造方法を提供する(請求項6)。
Further, the present invention is a method for producing an ion permeable membrane according to the above inventions (
上記発明(請求項6)によれば、平均粒径が0.7μm以下に調整された親水性無機材料を用いることで、緻密な細孔構造が形成されるため、ガスの分離性能を向上させることができ、イオン透過性隔膜の陰極側で発生する水素に陽極側で発生する酸素等が混入することがなく、水素の純度を高く維持することのできるイオン透過性隔膜を製造することができる。 According to the above invention (invention 6), by using a hydrophilic inorganic material having an average particle diameter adjusted to 0.7 μm or less, a dense pore structure is formed, so that gas separation performance is improved. It is possible to produce an ion permeable diaphragm that can maintain high purity of hydrogen without mixing oxygen generated on the anode side with hydrogen generated on the cathode side of the ion permeable diaphragm. .
上記発明(請求項6)においては、有機溶剤に前記有機結合材料を溶解させてなる有機結合材溶液と、親水性無機材料とをビーズミルに投入することで、平均粒径が0.7μm以下に調整された親水性無機材料と有機結合材とを含む懸濁液を調製するのが好ましい(請求項7)。 In the above invention (invention 6), an average particle size of 0.7 μm or less is obtained by introducing an organic binder solution obtained by dissolving the organic binder in an organic solvent and a hydrophilic inorganic material into a bead mill. It is preferable to prepare a suspension containing the adjusted hydrophilic inorganic material and the organic binder (claim 7).
親水性無機材料を、例えばボールミル等で粉砕すると、粉砕に1週間以上の期間がかかるとともに、粉砕後の親水性無機材料の平均粒径が4μm程度であるため、ガス分離性能が不十分であり、イオン透過性隔膜の陰極側で発生する水素に陽極側で発生する酸素等が混入してしまうおそれがあるが、上記発明(請求項8)によれば、ビーズミルに有機結合材溶液と親水性無機材料とを投入して混合することで、平均粒径が0.7μm以下に調整された親水性無機材料を含み、ガス分離性能を向上させたイオン透過性隔膜を短期間で、かつ容易に製造することができる。 When the hydrophilic inorganic material is pulverized by, for example, a ball mill, the pulverization takes a period of one week or more, and the average particle size of the hydrophilic inorganic material after pulverization is about 4 μm, so that the gas separation performance is insufficient. The hydrogen generated on the cathode side of the ion-permeable membrane may be mixed with oxygen generated on the anode side. According to the invention (invention 8), the organic binder solution and the hydrophilicity are contained in the bead mill. By introducing and mixing with an inorganic material, an ion-permeable membrane including a hydrophilic inorganic material with an average particle size adjusted to 0.7 μm or less and improved gas separation performance can be easily and quickly. Can be manufactured.
本発明によれば、電気抵抗が低く、かつ隔膜を隔てて生成されたガス(水素、酸素等)の分離性能が向上した、アルカリ水電解装置に使用するためのイオン透過性隔膜及び当該イオン透過性隔膜の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, an ion-permeable diaphragm for use in an alkaline water electrolysis apparatus having low electrical resistance and improved separation performance of gas (hydrogen, oxygen, etc.) generated across the diaphragm, and the ion permeation A method for producing a sex diaphragm can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るイオン透過性隔膜を用いたアルカリ水電解装置の電解ユニットの一単位を示す拡大断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view showing one unit of an electrolysis unit of an alkaline water electrolysis apparatus using an ion permeable diaphragm according to an embodiment of the present invention.
図1において、イオン透過性隔膜1は、メッシュ状の電極2,3の間に挟みこまれる形で保持されており、このメッシュ状の電極2,3は、電導部材2A,3Aを介して、バイポーラ電極4,5の陽極側4A及び陰極側5Aのそれぞれに接続される。これにより、イオン透過性隔膜1間に電圧がかかるようになっている。なお、本実施形態において、当該イオン透過性隔膜1は、図1に示すように、アルカリ溶液Wとしての水酸化カリウム(KOH)溶液が収容された電解槽6内に、電解槽6内を陽極側と陰極側とに区画するようにして配置されている。
In FIG. 1, the ion-
このイオン透過性隔膜1を形成する膜材料1Aとしては、膜を介してイオンのみを通過させ、ガスの通過や拡散がなく、アルカリ溶液W中で物理的、化学的に耐久性のあるものであれば、特に制限されるものではない。
As the
例えば、膜材料1Aとしては、親水性無機材料と、ポリサルフォン、ポリプロピレン及びフッ化ポリビニリデン等からなる群より選択される少なくとも1種の有機結合材料とを含むフィルム形成性混合物中に、伸張させた有機繊維布を内在させたものを用いるのが好ましい。
For example, the
親水性無機材料としては、フルオロアパタイト(FAP)又はヒドロキシアパタイト(HAP)等のリン酸カルシウム化合物を用いることが好ましく、これらの親水性無機材料は、粒状体を用いることが好ましい。この親水性無機材料の粒状体の平均粒径は、0.7μm以下であり、特に0.5μm以下であるのが好ましい。 As the hydrophilic inorganic material, a calcium phosphate compound such as fluoroapatite (FAP) or hydroxyapatite (HAP) is preferably used, and these hydrophilic inorganic materials are preferably used in the form of granules. The average particle size of the particles of the hydrophilic inorganic material is 0.7 μm or less, and particularly preferably 0.5 μm or less.
また、上記リン酸カルシウム化合物以外の親水性無機材料としては、フッ化カルシウム(CaF2)を好適に用いることができる。このフッ化カルシウムも上述のリン酸カルシウム化合物と同様にその平均粒径が0.7μm以下であり、特に0.5μm以下であるのが好ましい。また、このフッ化カルシウムは、工業薬品として市販されているものを利用することができるだけでなく、工業的に回収されるものを利用することができる。例えば、フッ素含有排水の処理工程において、フッ素はCaF2として固定化された上で除去されるので、これを再利用することができる。 As the hydrophilic inorganic material other than the calcium phosphate compound, it can be preferably used calcium fluoride (CaF 2). This calcium fluoride also has an average particle size of 0.7 μm or less, particularly 0.5 μm or less, like the above-mentioned calcium phosphate compound. Moreover, this calcium fluoride can utilize what is marketed as an industrial chemical, and can utilize what is collect | recovered industrially. For example, in the treatment process of fluorine-containing wastewater, fluorine is removed after being fixed as CaF 2 and can be reused.
また、有機繊維布としては、ポリプロピレンからなるメッシュ、又はエチレンとモノクロロトリフルオロエチレン等の予めハロゲン化されたエチレンとの共重合体からなるメッシュ等を用いることができる。この有機繊維布としては、織布又は不織布を用いることができ、その繊維径は1mm以下であることが好ましく、特に繊維径が0.5mm以下であることが好ましい。また、有機繊維布の織目の寸法は特に制限はないが、4mm2以下であることが好ましく、特に1mm2以下であることが好ましい。 Further, as the organic fiber cloth, a mesh made of polypropylene, a mesh made of a pre-halogenated ethylene copolymer such as ethylene and monochlorotrifluoroethylene, or the like can be used. As this organic fiber cloth, a woven fabric or a non-woven fabric can be used. The fiber diameter is preferably 1 mm or less, and particularly preferably the fiber diameter is 0.5 mm or less. No particular limitation is imposed dimensions of weave of the organic fiber fabric, it is preferred preferably at 4 mm 2 or less, in particular 1 mm 2 or less.
上述したような親水性無機材料、有機結合材料及び有機繊維布により構成される膜材料1Aは、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、有機溶剤に有機結合材料を溶解させた有機結合材溶液と、親水性無機材料と、媒体メディア(ビーズ)とをビーズミルに投入し、攪拌する。これにより、親水性無機材料の平均粒径を0.7μm以下に調整することができるとともに、当該親水性無機材料と有機結合材料とを含む懸濁液(スラリー)を調製することができる。
The
First, an organic binder solution obtained by dissolving an organic binder in an organic solvent, a hydrophilic inorganic material, and a medium medium (beads) are put into a bead mill and stirred. Thereby, while being able to adjust the average particle diameter of a hydrophilic inorganic material to 0.7 micrometer or less, the suspension liquid (slurry) containing the said hydrophilic inorganic material and an organic binding material can be prepared.
有機溶剤としては、例えば、ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、エチレングリコールのモノ及びジエーテル、又はメチルエチルケトンのようなケトン類等を用いることができる。 As the organic solvent, for example, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, mono- and diethers of ethylene glycol, or ketones such as methyl ethyl ketone can be used.
親水性無機材料(FAP,HAP,CaF2)と有機結合材料との配合割合は、親水性無機材料の配合割合が10〜95質量%であるのが好ましく、40〜90質量%であるのがさらに好ましく、75〜85質量%であるのが特に好ましい。親水性無機材料の配合割合が10質量%未満であると、得られる膜材料1A自体の電気抵抗が大きくなり、これを用いたイオン透過性隔膜1の電気抵抗の点でも好ましくない。また、親水性無機材料の配合割合が95質量%を超えると、膜材料1Aの機械的強度、特に脆性が低くなりすぎて膜としての形態を維持するのが困難となるおそれがある。
The blending ratio of the hydrophilic inorganic material (FAP, HAP, CaF 2 ) and the organic binding material is preferably 10 to 95% by mass, more preferably 40 to 90% by mass of the hydrophilic inorganic material. More preferred is 75 to 85% by mass. When the blending ratio of the hydrophilic inorganic material is less than 10% by mass, the electric resistance of the obtained
なお、親水性無機材料の配合割合が有機結合材料に対して多いほど、膜材料の湿潤性(親水性)が高くなり、膜の電気抵抗が低くなる傾向がある。特に、親水性無機材料としてのヒドロキシアパタイト(HAP)は、その配合割合が高いほど電気抵抗が低くなるが、有機結合材料及び有機溶剤との混合性が悪く、フルオロアパタイト(FAP)と比較して、同質量%におけるスラリーの粘性が高く、分離しやすい性質がある。このため、親水性無機材料としてヒドロキシアパタイト(HAP)を用いる場合には、ヒドロキシアパタイト(HAP)の配合割合を多くとも60〜70質量%程度としてスラリーを調製するのが好ましい。 In addition, there exists a tendency for the wettability (hydrophilicity) of a film | membrane material to become high and the electrical resistance of a film | membrane to become low, so that there are many compounding ratios of a hydrophilic inorganic material with respect to an organic binding material. In particular, hydroxyapatite (HAP) as a hydrophilic inorganic material has a lower electrical resistance as the blending ratio is higher, but is poorly mixed with an organic binder and an organic solvent, and compared with fluoroapatite (FAP). In the same mass%, the slurry has a high viscosity and is easily separated. For this reason, when using a hydroxyapatite (HAP) as a hydrophilic inorganic material, it is preferable to prepare a slurry with a blending ratio of hydroxyapatite (HAP) of at most about 60 to 70% by mass.
なお、親水性無機材料としてのフルオロアパタイト(FAP)は、有機結合材料及び有機溶剤との混合性が良好であり、上述した配合割合10〜95質量%でスラリーを調製することができ、上述した最適な配合割合75〜85質量%でスラリーを調製することが好ましい。 In addition, fluoroapatite (FAP) as a hydrophilic inorganic material has a good mixing property with an organic binder and an organic solvent, and a slurry can be prepared at a blending ratio of 10 to 95% by mass as described above. It is preferable to prepare the slurry at an optimum blending ratio of 75 to 85% by mass.
したがって、膜材料に用いる親水性無機材料としては、ハンドリングの面からはフルオロアパタイト(FAP)を用いる方が好ましい。 Therefore, it is preferable to use fluoroapatite (FAP) from the viewpoint of handling as the hydrophilic inorganic material used for the membrane material.
なお、有機溶剤の配合割合は、皮膜形成物質である有機結合材料との合計100質量%中40質量%以上であればよい。また、製造する湿潤シートの厚さは2mm以下であることが好ましく、特に1.5mm以下であることが好ましい。 In addition, the compounding ratio of the organic solvent should just be 40 mass% or more in a total of 100 mass% with the organic binder which is a film formation substance. In addition, the thickness of the wet sheet to be manufactured is preferably 2 mm or less, and particularly preferably 1.5 mm or less.
ビーズミルに投入される媒体メディア(ビーズ)としては、例えば、ジルコニア製ビーズ、アルミナ製ビーズ、ガラス製ビーズ等を用いることができ、ビーズの粒径は、φ1mm以下であればよく、好ましくはφ0.5mm以下であればよい。ビーズの粒径がφ1mmを超えると、親水性無機材料の平均粒径を0.7μm以下に調整するのが困難となるおそれがある。 As the medium medium (beads) put into the bead mill, for example, zirconia beads, alumina beads, glass beads and the like can be used. What is necessary is just 5 mm or less. If the particle size of the beads exceeds φ1 mm, it may be difficult to adjust the average particle size of the hydrophilic inorganic material to 0.7 μm or less.
また、媒体メディア(ビーズ)の配合割合は、特に限定されるものではないが、親水性無機材料に対して2〜4倍量(質量基準)程度であればよい。ビーズの配合割合が上記範囲内であれば、親水性無機材料の平均粒径を0.7μm以下に効率的に調整することができる。 Further, the mixing ratio of the medium media (beads) is not particularly limited, but may be about 2 to 4 times (mass basis) with respect to the hydrophilic inorganic material. If the blending ratio of the beads is within the above range, the average particle diameter of the hydrophilic inorganic material can be efficiently adjusted to 0.7 μm or less.
ビーズミルにおいて親水性無機材料と有機結合材溶液とを混合する際、当該ミルの攪拌速度は、平均粒径0.7μm以下の親水性無機材料と有機結合材とを含む懸濁液(スラリー)を調製することができる限り特に限定されるものではなく、例えば、1000〜5000rpm程度に設定すればよく、処理時間は0.5〜3時間程度であればよい。 When mixing a hydrophilic inorganic material and an organic binder solution in a bead mill, the stirring speed of the mill is a suspension (slurry) containing a hydrophilic inorganic material having an average particle size of 0.7 μm or less and an organic binder. It is not particularly limited as long as it can be prepared. For example, it may be set to about 1000 to 5000 rpm, and the processing time may be about 0.5 to 3 hours.
このようにして得られた懸濁液(スラリー)をガラス板等の不活性材料からなる平滑面上に所定の厚さに均一に塗布し、湿潤シートを製造する。そして、この湿潤シートに有機繊維布を伸張した状態で浸漬し、有機繊維布の伸張を維持したまま、蒸発や水浴中での浸出等により有機溶剤を除去した後、平滑面に残った膜材料1Aを剥離する。 The suspension (slurry) thus obtained is uniformly applied to a predetermined thickness on a smooth surface made of an inert material such as a glass plate to produce a wet sheet. Then, the organic fiber cloth is immersed in this wet sheet in a stretched state, and the organic solvent is removed by evaporation or leaching in a water bath while maintaining the stretch of the organic fiber cloth. 1A is peeled off.
このようにして製造される膜材料1Aの厚さ(t)は、100μm以上、特に300〜600μmであるのが好ましい。膜材料1Aの厚さが100μm未満であると、アルカリ水電解用の膜材料1Aとしての膜強度が十分でないおそれがある。なお、膜材料1Aの厚さが100μm以上であっても、膜材料1Aの電気抵抗が上昇することがなく、優れたイオン電導性を奏することができる。
The thickness (t) of the
上述したようなイオン透過性隔膜1は、1mol/LのKOH溶液中、25℃の条件下において、0.20Ωcm2以下、特に0.15Ωcm2以下の膜抵抗(電気抵抗)を有する。
Ion-
このようなイオン透過性隔膜1を用いた図1に示す電解ユニットにおいては、バイポーラ電極4,5に電流を流すと、電導部材2A,3Aからメッシュ状の電極2,3間に電圧が生じ、水酸化カリウム溶液Wの電気分解により、イオン透過性隔膜1とメッシュ状の電極2(陽極)との界面において、酸素(O2)が発生する。
In the electrolysis unit shown in FIG. 1 using such an ion-
そして、イオン透過性隔膜1とメッシュ状の電極3(陰極)との界面においては、2倍量の水素(H2)が発生する。この電解ユニットにおける電解槽6は、イオン透過性隔膜1により陰極側と陽極側とに区画されているので、陰極側で発生した水素のみを回収することで、高純度の水素ガスを効率よく製造することができる。
Then, twice the amount of hydrogen (H 2 ) is generated at the interface between the ion
このとき、イオン透過性隔膜1には、親水性に優れた無機材料(無機湿潤性物質)が含まれており、この膜材料1Aが多孔質構造を有していることで、水酸化カリウム溶液中のイオンは迅速に移動するため、イオン透過性隔膜1の電気抵抗が低下し、アルカリ水電解を効率よく行うことができる。
At this time, the ion
しかも、この膜材料1Aにおける親水性無機材料の平均粒径が0.7μm以下に調整されており、イオン透過性隔膜1が緻密な細孔構造を有することで、溶液はイオン透過性隔膜1を通過し得るが、陽極側で発生する酸素ガスの気泡及び陰極側で発生する水素ガスの気泡は通過できないため、これらの気体が相互に混入するおそれがない。したがって、陰極側から得られる水素ガスの純度を極めて高く維持することができる。
In addition, the average particle size of the hydrophilic inorganic material in the
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiment described above is described for facilitating understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
以下、実施例及び比較例に基づき、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to the following Example at all.
〔実施例1〕微粒化したCaF2含有膜材料の製造
ポリスルホン(ソルベイアドバンスドポリマーズ社製,P−3500)54gをN−メチル−2−ピロリドン(キシダ化学社製,特級,NMP)546gに真空中(−0.1MPa)で完全に溶解させた。
[Example 1] Production of atomized CaF 2 -containing membrane material 54 g of polysulfone (manufactured by Solvay Advanced Polymers, P-3500) was added to 546 g of N-methyl-2-pyrrolidone (manufactured by Kishida Chemical, special grade, NMP) in vacuum. (−0.1 MPa) was completely dissolved.
得られた溶液をビーズミル(アシザワファインテック社製,ミニツェア)のベッセルに移し、ジルコニア製のビーズ(粒径:0.5mm)を485g、親水化材としてCaF2を192g加えた。その後、ミルの攪拌を3900rpmで1時間実施した。このときのミルの動力は1.12kWhであった。また、得られたCaF2の平均粒径は0.7μmであった。 The obtained solution was transferred to a vessel of a bead mill (manufactured by Ashizawa Finetech Co., Ltd., Minizea), and 485 g of zirconia beads (particle size: 0.5 mm) were added, and 192 g of CaF 2 was added as a hydrophilizing material. Then, the mill was stirred at 3900 rpm for 1 hour. The power of the mill at this time was 1.12 kWh. Moreover, the average particle diameter of the obtained CaF 2 was 0.7 μm.
このようにして得られた懸濁液を、底面から400μmの位置に200メッシュのポリプロピレン繊維布(繊維径:87μm,NBC社製,商品名:ニップ(ポリプロピレン)強力網)を伸張状態で設置した10cm×10cmのガラス製の枠体上に10mL流し込み、表面積100cm2、厚さ約500μmの湿潤シートを作製した。 The suspension thus obtained was placed in a stretched state with a 200 mesh polypropylene fiber cloth (fiber diameter: 87 μm, manufactured by NBC, trade name: nip (polypropylene) strong net) at a position of 400 μm from the bottom. 10 mL was poured on a 10 cm × 10 cm glass frame to prepare a wet sheet having a surface area of 100 cm 2 and a thickness of about 500 μm.
懸濁液を流し込んだ後直ちに枠体をIPA浴中に移し、室温で一昼夜放置し、湿潤シートから溶剤であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を浸出させた。その後、枠体上に残存したシートを剥離し、水中でさらに5分間保持し、シート状の膜材料を得た。得られたシート状膜材料は、約400μmの厚さを有していた。 Immediately after pouring the suspension, the frame was transferred into an IPA bath and allowed to stand overnight at room temperature, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent was leached from the wet sheet. Thereafter, the sheet remaining on the frame was peeled off and held for 5 minutes in water to obtain a sheet-like film material. The obtained sheet-like membrane material had a thickness of about 400 μm.
〔比較例1〕CaF2含有膜材料の製造
ビーズミルの代わりにボールミルを用いて親水化材としてのCaF2を粉砕した以外は、実施例1と同様にしてシート状膜材料を製造した。得られたCaF2の平均粒径は1.0μmであった。
Comparative Example 1 was repeated except for pulverizing the CaF 2 as a hydrophilic material using a ball mill instead of manufacturing a bead mill of CaF 2 containing film material, to produce a sheet-like film material in the same manner as in Example 1. The average particle diameter of the obtained CaF 2 was 1.0 μm.
〔電気抵抗の測定試験〕
上記のようにして得られた実施例1及び比較例1のイオン透過性隔膜を1mol/LのKOH溶液に浸漬し、これらのイオン透過性隔膜について、25℃で1000Hzの交流にて抵抗測定器(日置電機社製,LCRハイテスタ5030)を用いて膜抵抗を測定した。
結果を表1に示す。
[Electrical resistance measurement test]
The ion permeable membranes of Example 1 and Comparative Example 1 obtained as described above were immersed in a 1 mol / L KOH solution, and a resistance measuring instrument was used for these ion permeable membranes at 25 ° C. and 1000 Hz alternating current. Membrane resistance was measured using (Hioki Electric Co., Ltd., LCR HiTester 5030).
The results are shown in Table 1.
〔ガス透過性試験〕
図1に示す電解ユニットに、実施例1及び比較例1のイオン透過性隔膜5を設置して、H2側からN2ガスを導入し、O2側にリークが開始する圧力を測定した。
結果を表1にあわせて示す。
[Gas permeability test]
The ion permeable diaphragm 5 of Example 1 and Comparative Example 1 was installed in the electrolytic unit shown in FIG. 1, N 2 gas was introduced from the H 2 side, and the pressure at which leakage started on the O 2 side was measured.
The results are shown in Table 1.
表1に示すように、実施例1のイオン透過性隔膜を用いた電解ユニットは、0.2Ω・cm2以下の非常に低い膜抵抗を示すとともに、さらにH2側からのリーク圧力も非常に高く、ガス透過特性においても非常に優れていることが確認された。 As shown in Table 1, the electrolysis unit using the ion permeable membrane of Example 1 has a very low membrane resistance of 0.2 Ω · cm 2 or less, and also has a very high leak pressure from the H 2 side. It was high and it was confirmed that the gas permeation characteristics were also excellent.
1…イオン透過性隔膜
1A…膜材料
2…電極(陽極)
2A…電導部材
3…電極(陰極)
3A…電導部材
4,5…バイポーラ電極
6…電解槽
W…水酸化カリウム(KOH)溶液(アルカリ溶液)
t…膜材料の厚さ
DESCRIPTION OF
2A ...
3A ... conductive members 4, 5 ...
t: thickness of membrane material
Claims (7)
親水性無機材料としてのリン酸カルシウム化合物又はフッ化カルシウムを含有する膜材料を備え、
前記親水性無機材料の平均粒径が、0.7μm以下であることを特徴とするイオン透過性隔膜。 An ion permeable membrane used for alkaline water electrolysis,
A membrane material containing a calcium phosphate compound or calcium fluoride as a hydrophilic inorganic material,
An ion-permeable diaphragm, wherein the hydrophilic inorganic material has an average particle size of 0.7 μm or less.
平均粒径を0.7μm以下に調整した親水性無機材料と有機結合材料とを含む懸濁液から製造された湿潤シートに、有機繊維布を浸漬させることを特徴とするイオン透過性隔膜の製造方法。 A method for producing the ion-permeable membrane according to any one of claims 1 to 5,
Manufacture of an ion permeable membrane characterized by immersing an organic fiber cloth in a wet sheet manufactured from a suspension containing a hydrophilic inorganic material and an organic binder having an average particle size adjusted to 0.7 μm or less Method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009074955A JP2010229431A (en) | 2009-03-25 | 2009-03-25 | Ion-permeable diaphragm and method for producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009074955A JP2010229431A (en) | 2009-03-25 | 2009-03-25 | Ion-permeable diaphragm and method for producing the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010229431A true JP2010229431A (en) | 2010-10-14 |
Family
ID=43045518
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009074955A Pending JP2010229431A (en) | 2009-03-25 | 2009-03-25 | Ion-permeable diaphragm and method for producing the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010229431A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015536383A (en) * | 2012-10-16 | 2015-12-21 | インドゥストリエ・デ・ノラ・ソチエタ・ペル・アツィオーニ | Alkaline solution electrolysis cell |
JP2016023345A (en) * | 2014-07-23 | 2016-02-08 | エクセルギー・パワー・システムズ株式会社 | Apparatus for producing hydrogen, and method for producing hydrogen |
CN114207189A (en) * | 2019-07-05 | 2022-03-18 | 爱克发-格法特公司 | Separator for alkaline water electrolysis |
-
2009
- 2009-03-25 JP JP2009074955A patent/JP2010229431A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015536383A (en) * | 2012-10-16 | 2015-12-21 | インドゥストリエ・デ・ノラ・ソチエタ・ペル・アツィオーニ | Alkaline solution electrolysis cell |
JP2016023345A (en) * | 2014-07-23 | 2016-02-08 | エクセルギー・パワー・システムズ株式会社 | Apparatus for producing hydrogen, and method for producing hydrogen |
CN114207189A (en) * | 2019-07-05 | 2022-03-18 | 爱克发-格法特公司 | Separator for alkaline water electrolysis |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6411631B2 (en) | Diaphragm for alkaline water electrolysis, alkaline water electrolysis apparatus, method for producing hydrogen, and method for producing diaphragm for alkaline water electrolysis | |
DK2548246T3 (en) | GAS DIFFUSION ELECTRODE, METHOD FOR PREPARING THE SAME, MEMBRANE ELECTRODE COLLECTION CONTAINING SAME AND METHOD FOR PREPARING MEMBRANE ELECTRODE COLLECTION CONTAINING SAME | |
KR102112648B1 (en) | Polymer electrolyte membrane | |
CN115928145B (en) | An organic-inorganic composite separator for hydrogen production by alkaline electrolysis of water and its preparation method | |
WO2013183584A1 (en) | Ion permeable diaphragm | |
JP6030952B2 (en) | Diaphragm for alkaline water electrolysis and method for producing the same | |
JPH04507112A (en) | Composite molded products, their applications and manufacturing methods | |
JP6596289B2 (en) | Microporous membrane containing polyphenylene copolymer and method for producing the same | |
WO2018182006A1 (en) | Diaphragm, electrolytic bath, and method for producing hydrogen | |
KR102436919B1 (en) | Alkaline water hydrosys separator having ion conductivity in koh electrolyte | |
ES2606356T3 (en) | Speek diaphragm for alkaline electrolysis and its use | |
JP2013204146A (en) | Diaphragm for alkaline water electrolysis and method for manufacturing the same | |
Song et al. | Enhanced electricity generation and water pressure tolerance using carbon black-based sintered filtration air-cathodes in microbial fuel cells | |
Yuan et al. | PEDOT surface modified PVDF filtration membrane for conductive membrane preparation and fouling mitigation | |
CN115287702A (en) | polysulfone-ZrO 2 Composite diaphragm, preparation method and application | |
JP2010229431A (en) | Ion-permeable diaphragm and method for producing the same | |
JP4998713B2 (en) | Ion-permeable membrane | |
JP2009185333A (en) | Method for producing ion-permeable diaphragm | |
JP7166118B2 (en) | Diaphragm for alkaline water electrolysis | |
JP2008238134A (en) | Ion exchange filter and manufacturing method thereof | |
US8016984B2 (en) | Ion-permeable diaphragm | |
JP2008050631A (en) | Ion-permeable diaphragm and method for producing the same | |
JP2010236044A (en) | Method for producing ion-permeable diaphragm | |
Du et al. | Tailoring microstructure of polysulfone composite membranes for alkaline water electrolysis | |
JP2009191343A (en) | Ion-permeable membrane |